熱電偶溫度計(jì)的工作原理

熱電偶溫度計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)溫儀表，某些高精度的熱電偶被用作復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的基準(zhǔn)儀器。熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、顯示儀表及連接二者的中間環(huán)節(jié)組成。熱電偶是整個(gè)熱電偶溫度計(jì)的核心元件，能將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成直流電勢(shì)信號(hào)，便于溫度信號(hào)的傳遞、處理、自動(dòng)記錄和集中控制。熱電偶溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)都是膨脹式溫度計(jì)所無(wú)法比擬的。一般情況熱電偶溫度計(jì)被用來(lái)測(cè)量-200~1600℃的溫度范圍，某些特殊熱電偶溫度計(jì)可以測(cè)量高達(dá)2800℃的高溫或低至4K的低溫。

1、  熱電偶的工作原理

熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的檢測(cè)元件即傳感器。熱電偶測(cè)溫是工作在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的。             將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，該閉合回路稱為熱電偶。構(gòu)成熱電偶的兩種不同材料稱為熱電極。熱電極有兩個(gè)連接點(diǎn)：其中一個(gè)連接點(diǎn)在工作時(shí)插入被測(cè)溫度場(chǎng)，感受被測(cè)溫度信號(hào)，稱該點(diǎn)為測(cè)量端、工作端或熱端；另一個(gè)連接點(diǎn)在工作時(shí)一般處于周圍環(huán)境中，稱為參比端、自由端、固定端或冷端。由熱電效應(yīng)原理可知，對(duì)于A、B兩種材質(zhì)組成的熱電偶，兩端溫度分別為t、t0 時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)大小EAB（t，t0）可用下式表示，即

                       EAB（t，t0）= eAB (t)-eAB (t0)     

式中EAB（t，t0）——A、B兩種材質(zhì)組成的熱電偶，兩端溫度分別為t、t0時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)；

          eAB (t) ——熱電偶測(cè)量端的熱電勢(shì)；

         eAB (t0) ——熱電偶參比端的熱電勢(shì)；

            t，t0——測(cè)量端、參比端溫度。

當(dāng)熱電偶材料已知且均勻時(shí)，固定參比端溫度t0 ，熱電勢(shì)EAB（t，t0）將只與測(cè)量端溫度t有關(guān)，這就建立了熱電勢(shì)與被測(cè)溫度間一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)就可以知道被測(cè)溫度的大小，這就是熱電偶測(cè)溫的依據(jù)。

熱電偶的熱電勢(shì)與溫度間的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為熱電偶的熱電特性。熱電偶的熱電特性由熱電極材料的化學(xué)成分和物理性能決定，到目前為止，熱電偶的熱電特性都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，不能由理論計(jì)算得到。熱電勢(shì)的大小只與組成熱電偶的材料和熱電偶兩端溫度有關(guān)，與熱電偶的形狀、尺寸、長(zhǎng)短及粗細(xì)無(wú)關(guān)。

關(guān)于熱電勢(shì)的幾點(diǎn)說(shuō)明如下：

①     熱電偶的熱電勢(shì)與溫度直接是非線性的關(guān)系，目前采用熱電特性曲線和分度表（各種熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表）兩種形式描述二者的關(guān)系。

②     熱電極有正、負(fù)之分，熱電勢(shì)也有正負(fù)極性之分。

            EAB（t，t0）=- EAB（t，t0）=- EAB（t0 ，t）

③     使用熱電偶測(cè)溫時(shí)只有保證t0保持不變，熱電勢(shì)EAB（t，t0）與被測(cè)溫度t才是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如果t0發(fā)生變化，及時(shí)t保持不變，EAB（t，t0）也會(huì)發(fā)生變化，給測(cè)量帶來(lái)附加誤差。

④     如果組成熱電偶的兩種熱電極材料相同，無(wú)論兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度如何，熱電勢(shì)保持為零。

⑤     如果兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度相同，即使組成熱電偶的兩種熱電極材料不同，熱電勢(shì)也會(huì)為零。